錐面導(dǎo)流水平盤式小麥精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉彩玲 都 鑫 張福印 馬 拓 張皓瑒 黎艷妮

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，在我國(guó)糧食安全生產(chǎn)上占有舉足輕重的地位，提高小麥產(chǎn)量意義重大[1]。近年來，隨著中耕作物精密播種技術(shù)日趨完善，逐漸將精播技術(shù)用于傳統(tǒng)的條播作物，小麥精密播種高產(chǎn)栽培要求種子株距、行距和播深精確，相對(duì)于傳統(tǒng)的密集條播作業(yè)可減少基本苗，建立合理群體結(jié)構(gòu)，培育壯苗，成穗率高，具有節(jié)省良種、降低成本、提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的作用[2-4]。

小麥精密播種新農(nóng)藝的出現(xiàn)對(duì)精密排種器提出了更高的要求。我國(guó)學(xué)者從20世紀(jì)70年代開始研制小麥精密排種器，先后研制了水平環(huán)槽式、雙輥式傾斜輪孔式、錐盤式、內(nèi)充種輪式、傾斜外槽輪上排種式、新型組合吸孔式等多種形式的小麥精密排種器[5-7]，但應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的并不多，主要原因在于沒有合適的精密排種器，分析其原因，像玉米、大豆等近圓形的大粒種子已基本上實(shí)現(xiàn)了單粒精密播種[8-13]，但對(duì)于像小麥這種具有極不規(guī)則的側(cè)面帶“腹溝”的非圓紡錘狀外形，充種過程復(fù)雜且具有不確定性，精密播種遠(yuǎn)比球形種子難實(shí)現(xiàn)。目前我國(guó)小麥精播仍停留在小播量的半精量播種作業(yè)，一般采用外槽輪式排種器，存在著因外槽輪式排種器的脈動(dòng)性導(dǎo)致小麥播種機(jī)播種不均勻，幼苗擁擠生長(zhǎng)，缺苗斷壟或疙瘩苗的現(xiàn)象，無法滿足小麥生產(chǎn)對(duì)精密播種的要求[14-17]。

為提高小麥精密播種排種器的播種精度，實(shí)現(xiàn)低播量精密播種，本文基于小麥精播高產(chǎn)栽培技術(shù)，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，提出一種在錐盤錐面增加漸開線導(dǎo)條的錐面導(dǎo)流水平盤式小麥排種器，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和排種器工作性能的虛擬仿真分析，并通過臺(tái)架試驗(yàn)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，旨在提高充種性能和排種合格指數(shù)，降低播量和破碎率，以期為小麥精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

錐面導(dǎo)流水平盤式精密排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由種箱、嵌入導(dǎo)條的錐盤、種刷、底座、投種裝置、投種盤等組成。錐盤采用中央錐面與周向充種環(huán)帶組合的結(jié)構(gòu)將型孔區(qū)限制在窄小環(huán)帶上，利用旋轉(zhuǎn)離心力和斜面分力將種箱內(nèi)種子壓力集中在充種區(qū)，嵌入漸開線導(dǎo)條的錐盤增加對(duì)種子流動(dòng)層的擾動(dòng)，降低種子間內(nèi)摩擦力，利于引導(dǎo)種子沿曲面做定向流動(dòng)，使種子長(zhǎng)軸沿圓周切線方向排列，靜、動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)使箱內(nèi)混亂無序的小麥種子完成導(dǎo)向和排序，增加種子主動(dòng)充填能力和囊種機(jī)率，提高充入長(zhǎng)圓形型孔的單粒種子充填性能；彈條式投種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，通過連接型孔之間的導(dǎo)種槽引導(dǎo)可靠投種，緩解了柱塞式投種器橡膠圈磨損、彈簧彈力對(duì)種子破碎的影響。

圖1 錐面導(dǎo)流水平盤式排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cone diversion type horizontal plate metering device1.種箱 2.種層厚度控制裝置 3.種刷 4.投種裝置 5.投種盤 6.底座 7.錐盤

排種器工作原理如下：種箱內(nèi)裝有種子，種子通過種層厚度控制裝置控制種子流動(dòng)，確保種層厚度恒定，在重力、離心力、種間作用力及導(dǎo)條引導(dǎo)作用下，呈紡錘狀或“拉長(zhǎng)橢球狀”小麥種子被水平旋轉(zhuǎn)的排種盤按運(yùn)動(dòng)阻力最小的方向進(jìn)行導(dǎo)流排序，以長(zhǎng)軸沿圓周切線方向定向排列并作同心圓運(yùn)動(dòng)，順利囊入周向排列的型孔內(nèi)；當(dāng)錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)至種刷位置時(shí)清除型孔內(nèi)多余的種子，最后在彈條式投種裝置作用及自身重力作用下排出型孔，實(shí)現(xiàn)一器三行的小麥精密排種。

1.2 錐盤設(shè)計(jì)

1.2.1錐盤直徑和錐角

錐盤直徑和錐角影響型孔充填性能，直徑較小的種子充填性能降低，直徑較大的可一定程度改善型孔充填性能；錐盤錐角影響斜面分力進(jìn)而影響周向充種環(huán)帶上的種子充填力，參考已有研究錐盤，直徑確定為220 mm，設(shè)錐角分別為30°、35°、40°、45°進(jìn)行優(yōu)化。

1.2.2錐盤導(dǎo)條型式

為提高種子充填性能，錐盤表面嵌入導(dǎo)條，以增加對(duì)種群的擾動(dòng)和對(duì)種子進(jìn)行梳刷、排序及導(dǎo)向，設(shè)定導(dǎo)條型式為漸開線導(dǎo)條、直導(dǎo)條和無導(dǎo)條的3種錐盤進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)條型式Fig.2 Guid bar forms

漸開線導(dǎo)條的軌跡線為漸開螺旋面與旋轉(zhuǎn)錐面的交線，滾動(dòng)角為φ，其漸開線方程為[18]

(1)

1.2.3型孔設(shè)計(jì)

型孔參數(shù)是排種器設(shè)計(jì)關(guān)鍵。小麥種子尺寸長(zhǎng)度大于寬度，寬度大于厚度，依據(jù)概率法計(jì)算種子平躺、側(cè)臥概率遠(yuǎn)大于豎立的概率，同時(shí)依據(jù)最小勢(shì)能原則，確定平躺狀態(tài)為最穩(wěn)定的充種方式[19]，如圖3所示。

圖3 型孔尺寸計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of hole size calculation

型孔內(nèi)只能囊括一粒種子且不能囊括兩粒種子應(yīng)滿足

(2)

bmax

(3)

B

(4)

(5)

B>C

(6)

式中A——型孔長(zhǎng)度，mm

B——型孔寬度，mm

C——型孔高度，mm

lmax——小麥長(zhǎng)度最大值，mm

bmax——小麥寬度最大值，mm

l——小麥長(zhǎng)度平均值，mm

a——小麥厚度平均值，mm

錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)種子長(zhǎng)軸沿圓周切線方向定向排列并作同心圓運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)以沿圓周切線方向排列的長(zhǎng)圓形型孔，以衡觀35小麥種子為研究對(duì)象，測(cè)得長(zhǎng)、寬、厚的平均值分別為6.21、3.42、3.19 mm，型孔寬度固定為5 mm，型孔長(zhǎng)度在6.5～11.3 mm范圍內(nèi)變化，對(duì)其充種效果進(jìn)行優(yōu)化。型孔上表面設(shè)有45°倒角利于種子順利囊入型孔并減小破碎；型孔向下呈喇叭狀，以利于種子在投種時(shí)順利投落。采用導(dǎo)種環(huán)槽連接型孔，增加種子囊入型孔機(jī)率。型孔布置及型孔形狀見圖4。

圖4 型孔布置和型孔形狀Fig.4 Distribution and shape of hole1.導(dǎo)種環(huán)槽 2.上表面倒角

2 排種器工作過程分析

2.1 種子在錐盤上的力學(xué)分析

種子從供種裝置落下，在錐盤錐面和導(dǎo)條作用下流向周向充種環(huán)帶。以種子所在位置為圓心，建立空間直角坐標(biāo)系，x軸過種子與導(dǎo)條側(cè)面接觸點(diǎn)沿切線方向并與錐盤母線垂直，y軸垂直于導(dǎo)條側(cè)面且于錐盤母線平行，z軸方向過種子與錐面的接觸點(diǎn)且垂直于錐面，種子在錐盤上受力如圖5所示。

圖5 小麥種子在錐盤上的受力分析Fig.5 Force analysis of seed on cone disc

由圖5可得

f1=μN(yùn)1

(7)

f2=μN(yùn)2

(8)

F=2mωVrcosθ

(9)

I=mω2r

(10)

式中f1——導(dǎo)條側(cè)面對(duì)種子的摩擦力

N1——導(dǎo)條側(cè)面對(duì)種子的支撐力

f2——錐盤盤面對(duì)種子的摩擦力

N2——錐盤盤面對(duì)種子的支撐力

μ——種子與錐盤的靜摩擦力因數(shù)

F——科氏力Vr——種子運(yùn)動(dòng)速度

m——種子質(zhì)量θ——錐盤錐角

ω——錐盤角速度

r——種子所在位置半徑

I——種子受到的離心力

2.2 種子充入型孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

種子是否落入型孔取決于其沿型孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。單粒種子即將進(jìn)入型孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖6所示，O為種子質(zhì)心，以種子長(zhǎng)軸方向?yàn)閄軸方向，則種子充入型孔的相對(duì)極限速度Vrmax及錐盤極限轉(zhuǎn)速nmax為[20]

(11)

(12)

式中D——型孔長(zhǎng)度，mm

L——種子質(zhì)量中心與排種盤距離，mm

E——上倒角寬度，mm

P——環(huán)槽深度，mm

R——錐盤半徑，mm

圖6 種子充入型孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of seed filling holes

種子在錐盤上力學(xué)分析和種子充入型孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析表明，錐盤的轉(zhuǎn)速、錐角、型孔參數(shù)均影響種子的充填過程。

2.3 清種過程分析

圖7 毛刷清種裝置受力分析Fig.7 Force analysis of brush clearance device1.錐盤 2.毛刷 3.種子

采用豬鬃毛刷進(jìn)行清種。排種器工作時(shí)，種子在錐盤帶動(dòng)下沿長(zhǎng)軸方向排列，隨排種盤一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到刮種器前層層疊加，水平種子層的相對(duì)速度自下而上遞減，最底層種子的拖帶速度最大，向型孔鉆入的力最大，其受力如圖7所示。

毛刷給種子的梳刷力Fg可分解為水平分力Fg2和垂直分力Fg1，F(xiàn)g2把型孔中露在外部的種子向后梳刷，使其反向從型孔中退出；Fg1則給種子一定的下壓力，受到下壓力的種子在型孔中穩(wěn)定地隨錐盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。毛刷質(zhì)地柔軟，適應(yīng)性好，減少種子損傷率。

2.4 投種過程分析

設(shè)計(jì)的彈條式投種裝置采用剛性較好的鋼絲，彈性恢復(fù)系數(shù)好，耐磨損，對(duì)種子損傷小，工作噪聲小。投種區(qū)種子受力分析如圖8所示，種子在重力G和投種推力Ft的作用下完成投種。

圖8 投種裝置受力分析圖Fig.8 Force analysis of seed-dropping device

3 EDEM離散元仿真試驗(yàn)與優(yōu)化

3.1 排種器仿真模型的建立

為便于仿真并減少計(jì)算量，去除與接觸無關(guān)部件。將SolidWorks軟件創(chuàng)建的排種器三維模型導(dǎo)入到仿真軟件EDEM中，如圖9所示。根據(jù)衡觀35小麥種子的三軸尺寸，使用多球面填充方式建立小麥顆粒模型。顆粒表面沒有粘附力，選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型作為顆粒間及顆粒與排種器間接觸模型。排種器用ABS工程材料注模加工。為提高仿真精度，顆粒與接觸材料間的靜摩擦因數(shù)與彈性恢復(fù)系數(shù)通過試驗(yàn)測(cè)定確定，其余仿真邊界參數(shù)參照文獻(xiàn)[21-23]，確定仿真參數(shù)為：小麥泊松比0.42，剪切模量51 MPa；顆粒與顆粒及顆粒與工程材料間的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.42、0.53、0.07和0.25、0.56、0.05。為驗(yàn)證模型和仿真邊界參數(shù)的正確性進(jìn)行了小麥種子堆積角驗(yàn)證試驗(yàn)[24]，測(cè)量5次求平均值，得仿真休止角為30.7°，與實(shí)測(cè)休止角差值為0.6°，誤差較小，因此所建模型精度較高，可用于仿真。

圖9 排種器仿真幾何體模型Fig.9 Simulation model of seed-metering device

3.2 單因素仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

為便于參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)充種情況進(jìn)行錐盤導(dǎo)條型式、型孔個(gè)數(shù)、錐盤轉(zhuǎn)速、錐角的單因素仿真分析，型孔長(zhǎng)度為7.5 mm，各因素固定值分別為漸開線導(dǎo)條、50個(gè)、15 r/min和30°，試驗(yàn)指標(biāo)合格為1～2粒/穴，單粒為1粒/穴，漏充為0粒/穴。

3.2.1導(dǎo)條型式對(duì)充種性能的影響

導(dǎo)條型式分別為漸開線導(dǎo)條、直導(dǎo)條以及無導(dǎo)條時(shí)排種器的充種情況仿真結(jié)果如表1所示。

表1 3種導(dǎo)條型式下的仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results of three different guide bar types %

由表1可知，增加導(dǎo)條利于提高充種性能，漸開線導(dǎo)條優(yōu)于直導(dǎo)條，直導(dǎo)條優(yōu)于無導(dǎo)條，為進(jìn)一步分析導(dǎo)條型式對(duì)充種過程的影響，從EDEM中輸出不同導(dǎo)條型式下種子速度隨時(shí)間變化情況如圖10所示，可看出無導(dǎo)條時(shí)種子速度明顯低于2種有導(dǎo)條情況，低于極限相對(duì)速度時(shí)增大相對(duì)速度可提高種子囊種的幾率，計(jì)算種子速度的波動(dòng)量由大到小分別為：無導(dǎo)條(0.005 923 m/s)、直導(dǎo)條(0.003 659 m/s)、漸開線導(dǎo)條(0.003 309 m/s)，無導(dǎo)條時(shí)種子相對(duì)速度低且速度波動(dòng)量大，種子不利于進(jìn)入型孔且充填不穩(wěn)定，因此，嵌入漸開線導(dǎo)條可提高排種器的充填性能。

圖10 不同導(dǎo)條型式下種子速度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Seed velocity changing curves in different guide strip types

3.2.2型孔個(gè)數(shù)對(duì)充種性能的影響

合理配置型孔個(gè)數(shù)可消除型孔與型孔間種子混亂現(xiàn)象，為研究型孔個(gè)數(shù)對(duì)充種性能的影響，仿真分析了型孔個(gè)數(shù)分別為39、42、50個(gè)時(shí)排種器充種情況，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，50個(gè)型孔時(shí)充種性能較好，從圖11可以看出，50個(gè)型孔時(shí)種子速度最大，50、42、39個(gè)型孔時(shí)，種子顆粒平均速度分別為0.061 0、0.053 0、0.058 5 m/s，表明種子速度低于極限速度時(shí)，增大種子速度有利于提高充種性能，單粒率和合格率均有所增加，因此確定50個(gè)孔的型孔結(jié)構(gòu)。

表2 不同型孔個(gè)數(shù)的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of different numbers of holes

圖11 不同型孔個(gè)數(shù)下種子速度變化曲線Fig.11 Seed velocity changing curves in different numbers of holes

3.2.3錐盤轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)型孔囊種過程有重要的影響。轉(zhuǎn)速為15、20、25、30、35、40 r/min時(shí)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 不同轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results at different speeds

由表3可知，隨錐盤轉(zhuǎn)速增加合格率減小，漏播率增加。從圖12可以看出，錐盤轉(zhuǎn)速越大，種子的速度與速度的波動(dòng)量都隨之變大，種子速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過極限速度導(dǎo)致合格率顯著降低，漏播率顯著上升，根據(jù)試驗(yàn)情況確定錐盤速度小于30 r/min。

圖12 不同轉(zhuǎn)速下種子速度隨時(shí)間變化曲線Fig.12 Seed velocity changing curves at different speeds

3.2.4錐盤錐角對(duì)充種性能的影響

基于前文分析研究錐盤錐角為30°、35°、40°、45°時(shí)對(duì)充種過程的影響，仿真結(jié)果見表4。

表4 不同錐盤錐角的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results at different cone angles

由表4可知，隨錐盤錐角增加合格率減小，漏播率增加，從圖13也可以看出，不同錐盤錐角種子均在0.05 m/s附近波動(dòng)，但錐角越大，種子速度波動(dòng)量越大，充種不穩(wěn)定導(dǎo)致合格率降低，漏播率增加，因此確定錐盤錐角為30°。

圖13 不同錐角下種子速度隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Seed velocity changing curves at different cone angles

3.3 正交回歸旋轉(zhuǎn)中心仿真試驗(yàn)

基于單因素試驗(yàn)確定部分參數(shù)設(shè)計(jì)，錐盤為漸開線導(dǎo)條型式、型孔個(gè)數(shù)50個(gè)、錐盤錐角30°，為進(jìn)一步研究關(guān)鍵參數(shù)型孔長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速、種層厚度和各因素交互作用對(duì)排種器工作性能的影響，進(jìn)行正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以確定最優(yōu)參數(shù)組合。

3.3.1仿真因素及水平

二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)因素編碼如表5所示。

表5 因素編碼Tab.5 Coding of factor levels

3.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

采用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，試驗(yàn)方案和結(jié)果見表6。漏充率和合格率之和等于100%，試驗(yàn)中沒有出現(xiàn)每穴大于2粒及以上的充種情況，故漏充率回歸模型檢驗(yàn)、因素影響規(guī)律與合格率分析結(jié)論一致，因此只對(duì)合格率做方差分析。

表6 二次回歸旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Quadratic regression rotary experiment results

3.3.3回歸模型的建立與方程顯著性檢驗(yàn)分析

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸擬合，依據(jù)系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，剔除不顯著因素但保留交互作用、高次項(xiàng)有影響的因素，對(duì)編碼因素進(jìn)行線性代換得單粒率Y1、合格率Y2回歸響應(yīng)面方程為

(11)

(12)

回歸方程方差分析見表7，單粒率、合格率回歸模型F檢驗(yàn)高度顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.1)，回歸方程不失擬。依據(jù)表7中F值，轉(zhuǎn)速對(duì)單粒率影響高度顯著，型孔長(zhǎng)度影響顯著，三因素影響由大到小依次為轉(zhuǎn)速、型孔長(zhǎng)度和種層厚度，其中轉(zhuǎn)速和種層厚度、種層厚度和型孔長(zhǎng)度間存在交互作用；轉(zhuǎn)速對(duì)合格率影響顯著，其影響由大到小為轉(zhuǎn)速、種層厚度和型孔長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)速與種層厚度間交互作用不可忽略。

3.3.4因素間交互作用的響應(yīng)曲面分析

在試驗(yàn)因素范圍內(nèi)，分析因素間交互作用響應(yīng)曲面。圖14為轉(zhuǎn)速和種層厚度交互作用對(duì)單粒率的影響，結(jié)果表明，在低轉(zhuǎn)速區(qū)單粒率隨種層厚度增加而減小，在高轉(zhuǎn)速區(qū)呈相反規(guī)律，因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)種層厚度增加加大底層種子正向壓力，使種子充入型孔子的概率增加，因此單粒率降低；在高轉(zhuǎn)速時(shí)種子與種盤相對(duì)速度增加，減少了種子與型孔接觸機(jī)會(huì)，因此種層厚度增加時(shí)能一定程度上緩解轉(zhuǎn)速帶來的不利影響。在高種層厚度區(qū)單粒率隨轉(zhuǎn)速增加而增加，低種層厚度區(qū)隨轉(zhuǎn)速增加單粒率先增加后減小，因?yàn)楦叻N層厚度時(shí)轉(zhuǎn)速越高越利于種子分層流動(dòng)，正向壓力促進(jìn)種子進(jìn)入型孔，低種層厚度時(shí)增加轉(zhuǎn)速增加種子相對(duì)型孔的運(yùn)動(dòng)速度，過大的轉(zhuǎn)速易使種子相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超過極限充種速度導(dǎo)致單粒率反而降低。

表7 單粒率和合格率的方差分析Tab.7 Variance analysis of single rate and qualification rate

圖14 種層厚度與轉(zhuǎn)速的交互作用(單粒率)Fig.14 Interaction between seed-layer thickness and speed

圖15為種層厚度與型孔長(zhǎng)度交互作用對(duì)單粒率的影響，結(jié)果表明，在低種層厚度區(qū)單粒率隨型孔長(zhǎng)度增加而減小，在高種層厚度區(qū)呈相反規(guī)律；在低型孔長(zhǎng)度區(qū)，單粒率隨種層厚度增大而減小，在高型孔長(zhǎng)度區(qū)規(guī)律相反。主要原因?yàn)檩^小種層厚度時(shí)型孔長(zhǎng)度越小，充入2粒種子的概率越小，單粒率增加，較大種層厚度使型孔中種子受到種群壓力較大，加之型孔中種間作用力、型孔壁面摩擦力、底座摩擦力等綜合力作用使型孔中狀態(tài)不穩(wěn)定的種子退出型孔，小范圍內(nèi)提高了單粒率。

圖15 種層厚度與型孔長(zhǎng)度交互作用(單粒率)Fig.15 Interaction between seed-layer thickness and hole length

轉(zhuǎn)速與種層厚度間交互作用對(duì)合格率響應(yīng)曲面圖如圖16所示，在低轉(zhuǎn)速區(qū)合格率隨種層厚度增大而減小，高轉(zhuǎn)速區(qū)呈相反規(guī)律，因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)種層厚度增加加大底層種子正向壓力，使型孔充入種子概率增加，高轉(zhuǎn)速時(shí)種子與種盤相對(duì)速度增加，減少種子與型孔接觸機(jī)會(huì)，因此種層厚度增加時(shí)一定程度上緩解轉(zhuǎn)速帶來的不利影響，因此合格率增加；在低種層厚度區(qū)合格率隨轉(zhuǎn)速增加而減小，高種層厚度區(qū)呈相反規(guī)律，二者呈現(xiàn)較顯著的相關(guān)性。

圖16 種層厚度與轉(zhuǎn)速交互作用(合格率)Fig.16 Interaction between seed-layer thickness and speed

3.3.5試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化

為尋求約束條件范圍內(nèi)各因素最優(yōu)組合，將合格率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合因素邊界條件建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)充種性能指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(13)

求得優(yōu)化解為轉(zhuǎn)速19.37 r/min、型孔長(zhǎng)度為7.90 mm、種層厚度為8.00 mm時(shí)，預(yù)測(cè)得到合格率為89.50%，其中單粒率達(dá)到50.60%。

4 排種器性能試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 排種器充種性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，選擇與仿真條件一致的衡觀35小麥種子進(jìn)行試驗(yàn)，小麥千粒質(zhì)量為45 g，干基含水率為11.3%，種子休止角為31.3°，試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)排種試驗(yàn)室，試驗(yàn)裝置見圖17，排種器組成見圖1。粒距合格率為合格粒距數(shù)與總粒距數(shù)比值，其中粒距小于1.5倍理論粒距為合格粒距，因?yàn)楫?dāng)型孔中充入2粒種子時(shí)，種子經(jīng)排種器排出形成的兩個(gè)粒距或?qū)⑿∮?.5倍理論株距，因此重播對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的排種器來說仍滿足1～2粒/穴的標(biāo)準(zhǔn)，屬于合格粒距的范疇。

圖17 試驗(yàn)裝置Fig.17 Test device

按照仿真優(yōu)化參數(shù)3D打印嵌入漸開線導(dǎo)條錐盤，排種器參數(shù)設(shè)為轉(zhuǎn)速19 r/min、型孔長(zhǎng)度8 mm，種層厚度為8 mm，錐盤錐角30°，型孔個(gè)數(shù)50個(gè)，錐盤直徑220 mm，株距5 cm，利用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的排種器性能檢測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，重復(fù)5次后得粒距合格率平均值為90.13%，漏充率為9.87%，單粒率達(dá)到49.50%，與仿真優(yōu)化結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了仿真優(yōu)化結(jié)果的可靠性，但漏播率仍超過5%，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[25]，對(duì)于單粒精密播種機(jī)，當(dāng)種子粒距不大于10 cm時(shí)，漏播指數(shù)不大于15%，符合精播要求，因此設(shè)計(jì)的排種器符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前生產(chǎn)中應(yīng)用的2BJM型小麥精密播種機(jī)粒距合格指數(shù)為78.30%～87.94%[26]，因此優(yōu)化后的錐面導(dǎo)流水平盤式排種器提高了排種精度。

4.2 與原錐盤排種器的對(duì)比試驗(yàn)

為對(duì)比分析錐面導(dǎo)流水平盤式排種器與現(xiàn)有錐盤排種器的工作性能，3D打印嵌入漸開線導(dǎo)條錐盤，二者試驗(yàn)條件相同，型孔長(zhǎng)度7.4 mm，種層厚度為8 mm，其余試驗(yàn)條件同上。

4.2.1合格率對(duì)比試驗(yàn)

設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度分別為3、4、5 km/h，株距為5 cm，試驗(yàn)測(cè)試251粒小麥種子，重復(fù)3次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 不同機(jī)具前進(jìn)速度單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Single factor test results at different advancing speeds

表8表明，隨機(jī)具前進(jìn)速度增加，排種器合格率均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)排種盤型孔數(shù)與粒距一定時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度與排種器轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，因此機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)排種器工作性能的影響與轉(zhuǎn)速對(duì)其影響規(guī)律一致，與仿真分析所得結(jié)論一致，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。同時(shí)錐面導(dǎo)流水平盤式排種器比原錐盤排種器在前進(jìn)速度為3、4、5 km/h時(shí)合格率分別提高3.4、2.1、1.9個(gè)百分點(diǎn)，表明錐面導(dǎo)流水平盤式排種器排種性能指標(biāo)優(yōu)于原錐盤排種器，證明導(dǎo)條的設(shè)置加強(qiáng)了種群流動(dòng)性及對(duì)種子導(dǎo)向作用，增大了充種機(jī)率，從而提高了合格率。

4.2.2排種器破碎率對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 6973—2005破碎率測(cè)定試驗(yàn)方法進(jìn)行破碎率對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件同上，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為3 km/h。破碎種子采用人工挑揀方法進(jìn)行篩選，每次試驗(yàn)取樣3 000粒測(cè)量排出種子質(zhì)量和破碎種子質(zhì)量，各重復(fù)3次試驗(yàn)求取平均值，計(jì)算種子破碎率(破碎種子質(zhì)量與排出種子質(zhì)量比值)，結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出，錐面導(dǎo)流式水平盤排種器破碎率較低，比原錐盤排種器破碎率小0.2個(gè)百分點(diǎn)，主要原因?yàn)樵F盤排種器限量刮種器在限量通道入口處破損種子甚至造成種子被攔腰折斷；柱塞式投種器投種輪與種子接觸面積大，摩擦力大，造成種子姿態(tài)變化的機(jī)會(huì)多，無形中加大了種子與型孔壁面及底座的摩擦力，增大種子破碎機(jī)率。改進(jìn)后的毛刷清種裝置與種子柔性接觸，降低了種子在運(yùn)動(dòng)過程中承受的載荷；彈條式投種裝置彈性恢復(fù)系數(shù)較好且彈力適中，與種子接觸面積小，種子所受摩擦力較小且不影響種子在型孔中的姿態(tài)，種子可穩(wěn)定地從型孔中被投出。

表9 破碎率試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Crushing rate test results

5 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)小麥低播量精密播種，提高小麥精密排種器播種精度，提出了一種錐面導(dǎo)流水平盤式小麥排種器，完成參數(shù)設(shè)計(jì)和理論分析，并借助離散元單因素仿真試驗(yàn)分析了導(dǎo)條型式、型孔個(gè)數(shù)、錐盤轉(zhuǎn)速、錐盤錐角對(duì)充種性能的影響，確定錐盤為漸開線導(dǎo)條型式、型孔個(gè)數(shù)50個(gè)、錐盤錐角30°。

(2)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到單粒率和合格率的回歸方程，方差分析結(jié)果表明對(duì)單粒率影響由大到小依次為轉(zhuǎn)速、型孔長(zhǎng)度和種層厚度；對(duì)合格率影響由大到小為轉(zhuǎn)速、種層厚度和型孔長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)速和種層厚度、種層厚度和型孔長(zhǎng)度間存在交互作用。對(duì)回歸方程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解并對(duì)最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行排種性能的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，得到在轉(zhuǎn)速19 r/min、型孔長(zhǎng)度8 mm、種層厚度為8 mm時(shí)充種合格率為90.13%，漏充率為9.87%，單粒率為49.50%，與仿真優(yōu)化結(jié)果相吻合，試驗(yàn)結(jié)果符合精密播種國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(3)性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的錐面導(dǎo)流水平盤式排種器無論在排種性能還是破碎率指標(biāo)均優(yōu)于原錐盤排種器，證明在導(dǎo)條及毛刷清種、彈條式投種裝置的綜合作用下提升了原錐盤排種器的工作性能。錐面導(dǎo)流水平盤式小麥精量排種器有效提高了充種性能和排種合格指數(shù)，降低了播量和破碎率，研究結(jié)果可為小麥精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。